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渤海夏季海气通量船基系统观测研究

作　者: 薛宇欢
导　师: 高会旺
学　校: 中国海洋大学
专　业: 流体力学
关键词: 海洋大气边界层海气通量涡动相关法船体姿态修正风速谱湍流强度
分类号: P732
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 108次
引　用: 1次
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内容摘要

大气边界层又称为行星边界层,通常指从地面到高度约为1~1.5千米之间的大气层,以海洋为下垫面的大气边界层即为海洋大气边界层。边界层大气湍流运动方面的研究表明,湍流属性的输送过程对于边界层以及更高层次大气中的动量、热量、水汽等物理量的输送和平衡都有着重要的作用。海洋大气边界是海洋—大气能量和物质交换的桥梁。进入20世纪以来,人们越来越意识到海洋对于人类的重要性,而且也认识到海洋与大气运动有着密切的联系。海气之间湍流通量的观测在全球气候变化研究中有着十分重要的意义。本文尝试性的利用船体运动姿态监测系统辅助涡动相关系统的观测,使其精确记录涡动相关系统相对于地球坐标系下的移动速度和系统对于自自身重心的旋转、俯仰、摇摆的偏离角度,并根据Edson(1998)提出的船体运动修正公式计算出真实的三维风速。通过这一方法,初步解决了船体晃动对实际观测的影响。利用2005年渤海夏季的观测数据,分析了不同典型天气条件下的湍流特征结构和海气通量,以及风速、温度对湍流强度和海气通量的影响。研究表明:①渤海夏季在晴天时,海气边界层湍流不稳定层结时,风速分量的归一化谱在惯性副区中仍遵循-2/3指数率,但是在稳定度参数参数ξ接近于0,即近似中性层结时,风速分量的归一化谱在惯性副区中的不符合-2/3指数率。在雾天时,风速分量的归一化谱在惯性副区中也仍遵循-2/3指数率。在晴天时,湍流近似满足各向同性条件;在雾天时,湍流很好地满足各向同性的条件,在雾天条件下的空气湍流相比晴天条件下具有更显著的各向同性的性质。②在晴天时,随着稳定度的增加,湍流强度也随之增加,湍流强度与水平风速有显著的负相关关系。在雾天时,随着稳定度的增加,湍流强度降低;风速对湍流强度影响不明显。台风过程时,随着稳定度的增加,湍流强度也增加,湍流强度与水平风速有显著的正相关关系。在中性层结条件下,湍流强度均为Iu>Iv>Iw,但是在台风时的Iv与Iw已经十分接近。Iw在晴天时最大,而Iu和Iv在台风时最大,湍流总强度从大到小依次为台风、晴天、雾天。③在不同天气条件下,水平风速对湍流强度的影响不同。在晴天时,湍流强度与水平风速有显著的负相关关系;在雾天时,二者的相关性不明显;在台风过程中,二者为显著的正相关关系。中性层结条件下,湍流强度均为Iu>Iv>Iw,但是在台风时的Iv与Iw已经十分接近,在个别时段,Iv>Iu。Iw在晴天时最大,而Iu和Iv在台风时最大,湍流总强度从大到小依次为台风、晴天、雾天。④在晴天和雾天时,感热通量均与气温有显著的负相关关系。晴天条件下,感热通量日平均值为3.0W/m2;雾天条件下,感热通量日平均值为-5.9W/m2。雾天时感热由大气向海洋传输;而在晴天时,当气温变化时,感热输送方向可能改变。晴天时潜热通量与水平风速有显著的正相关关系,其日平均值为88.5W/ m2。⑤在高海况条件下使用涡动相关法进行海气边界层观测时,使用船体运动姿态监测系统对观测的三维风速进行修正是十分必要的。如不进行修正,计算出的结果往往偏大。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
1. 概述  10-16
  1.1 海洋大气边界层  10
  1.2 海气通量观测及其研究现状  10-12
    1.2.1 海气通量观测研究内容  10-11
      1.2.1.1 海气动量通量  11
      1.2.1.2 海气热量通量  11
      1.2.1.3 海气CO_2通量  11
    1.2.2 海气通量研究方法  11-12
    1.2.3 海气通量观测研究现状  12
  1.3 涡动相关技术  12-15
    1.3.1 涡动相关法  12-13
    1.3.2 涡动相关法的发展过程  13-14
    1.3.3 国内外船载涡动相关系统观测研究进展  14-15
  1.4 本文研究内容及目标  15-16
2. 船载涡动相关观测系统  16-20
  2.1 涡动相关系统的基本构成  16-17
  2.2 船体运动及姿态监测系统  17-18
  2.3 仪器安装位置  18
  2.4 数据采集的同步性  18-20
3. 数据处理方法  20-38
  3.1 涡动相关观测系统的基本数据处理  20-30
    3.1.1 数据趋势去除运算及剔除异常值  20-25
      3.1.1.1 时间平均  22
      3.1.1.2 线性趋势去除  22-23
      3.1.1.3 滑动平均运算  23
      3.1.1.4 三种方法比较  23-24
      3.1.1.5 剔除异常值  24-25
    3.1.2 坐标轴旋转  25-27
    3.1.3 湍流通量的计算  27
    3.1.4 海气边界层湍流特征分析  27-30
      3.1.4.1 功率谱  27-28
      3.1.4.2 协谱  28-29
      3.1.4.3 利用谱方法求湍流动量耗散率和湍流动量的特征长度  29-30
  3.2 使用船体运动及姿态数据对三维风速进行修正  30-38
    3.2.1 修正方法  30-32
    3.2.2 修正数据分析  32-38
      3.2.2.1 功率谱分析  32-35
      3.2.2.2 摩擦速度与水平风速的关系  35-38
4. 渤海夏季观测数据分析  38-65
  4.1 数据来源  38
  4.2 不同典型天气条件下的观测结果比较  38-56
    4.2.1 风速谱特征分析  41-48
      4.2.1.1 稳定度参数ξ  41-42
      4.2.1.2 晴天条件下的风速谱特征  42-44
      4.2.1.3 雾天条件下的风速谱特征  44-45
      4.2.1.4 局地各向同性  45-48
    4.2.2 湍流强度分析  48-51
      4.2.2.1 湍流强度与稳定度的关系  48-49
      4.2.2.2 湍流强度与平均风速的关系  49-51
      4.2.2.3 湍流强度的日变化特征  51
    4.2.3 通量结果比较  51-56
      4.2.3.1 晴天条件下的海气通量  51-54
      4.2.3.2 雾天条件下的海气通量  54-56
  4.3 台风过程中的湍流特征和通量变化  56-60
    4.3.1 台风过程中稳定度参数ξ的变化  57-58
    4.3.2 台风过程湍流强度分析  58-59
    4.3.3 台风过程中动量通量的变化  59-60
  4.4 不同海况条件下数据修正对通量计算结果的影响  60-65
    4.4.1 湍流强度比较  60-62
    4.4.2 通量计算结果比较  62-65
5. 结论与展望  65-68
  5.1 结论  65-66
  5.2 存在的问题与进一步的展望  66-68
参考文献  68-73
致谢  73

渤海夏季海气通量船基系统观测研究

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